Особенности локального биоинтерфейса при интеграции трикотажной никелид-титановой сетки в поперечнополосатую мышечную ткань

ВВЕДЕНИЕ

В военных конфликтах и чрезвычайных ситуациях, спортивной и повседневной жизни в результате механического воздействия или избыточной физической нагрузки у человека может возникнуть нарушение целостности мышц грудной клетки или конечностей. Степень тяжести полученной травмы влияет на последующие лечение и сроки реабилитации. Мышца может травмироваться в области ее основания, сухожилия, мышечного брюшка и мышечно-сухожильного перехода, что приводит к разрыву волокон, воспалению и нарушению ее сократительной функции [1–4]. В хирургической практике наиболее частыми являются ятрогенные повреждения поперечнополосатой мышечной ткани, возникающие на этапе оперативного доступа при диссекции мягких тканей с неизбежным нарушением целостности перимизия и разъединением мышечных волоконных пучков [5][6].

Красные, промежуточные и белые мышечные волокна сочетаются во всех скелетных мышцах человека с преобладанием какого-либо типа, определяющего скорость реагирования и сокращения. Красные мышечные волокна отличаются медленными сокращениями и устойчивы к утомлению, тогда как белые мышечные волокна быстро реагируют, сокращаются и утомляются. При разрыве небольшого количества мышечных волокон на их концах образуются мышечные почки, которые впоследствии соединяются, тем самым заполняя зону повреждения. Другой механизм развития репаративной регенерации после повреждения при обширных дефектах мышц зависит от наличия определенных условий и характеризуется выраженной пролиферацией миосателлитоцитов, их миграцией в область дефекта с формированием новых миотрубок. Данный процесс начинается при отсутствии фибробластов в зоне регенерации и сохраненной двигательной иннервации мышечных волокон, в противном случае формируется грубый соединительнотканный рубец [7–9]. Для предотвращения фиброза и рубцевания в зоне хирургической травмы, приводящих к нарушению функции мышцы, применяют биологические и синтетические импланты, разработка и клиническое внедрение которых активно ведется в научных центрах мира, включая Россию. Имеются сведения об использовании пористых и сетчатых материалов из сплавов металлов, гидрогеля на основе гиалуроновой кислоты, губчатого биоматериала, полипропилена, политетрафторэтилена Gore-Tex, пролена, композита Parietex Composite и др. [10–12].

Сплавы на основе никелида титана (TiNi) вызывают интерес в перспективе их применения в травматологии и ортопедии, реконструктивной торакоабдоминальной хирургии и в качестве скаффолдов в регенеративной медицине. Этот интерес обусловлен в первую очередь биосовместимостью имплантов. Предшествующие исследования показывают, что импланты из металлотрикотажа на основе TiNi проволоки обладали достаточной эластичностью для воспроизведения контуров биологических тканей и высокой устойчивостью к длительным циклическим нагрузкам, а также обеспечивали формирование прочного единого тканевого регенерата в поврежденной области [13–15]. Морфологические изменения при использовании TiNi импланта для интеграции в скелетную мышечную ткань различной локализации с отличающейся физической нагрузкой ранее не были описаны.

Цель исследования — оценить безопасность и эффективность применения трикотажного никелида титана после имплантации в поперечнополосатую мышечную ткань на in vivo модели механического воздействия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проводили на 30 сертифицированных крысах-самцах породы Wistar массой 400–500 г и возрастом 70–90 сут в условиях Центральной научно-исследовательской лаборатории (ЦНИЛ) ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет» Минздрава России, полученных из отдела экспериментальных биологических моделей НИИФиРМ им. Е.Д. Гольдберга Томского НИМЦ. Животные содержались в стандартных условиях вивария¹. До начала эксперимента животных выдерживали на двухнедельном карантине в условиях вивария с учетом требований к их содержанию. Поддерживался 12-часовой цикл освещения, корм и вода выдавались ad libitum. В каждой клетке находилось не более двух особей. Регистрировали массу тела животного во всех группах перед операцией и затем по окончании эксперимента перед эвтаназией.

В ходе эксперимента апробировали опытный образец имплантационного материала в виде трикотажно-вязаной ленты, выполненной из сверхэластичной TiNi проволоки марки ТН-10 (рис. 1). Имплант был изготовлен в лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет».

Металлотрикотажная лента представляет собой сетчатую структуру из биологически инертной коррозионно-стойкой TiNi проволоки диаметром 40 мкм с размерами ячеек 0,3–3,5 мм (рис. 2). Проволока на основе TiNi представляет собой композиционный материал, характеризующийся наличием наружного шероховатого слоя толщиной до 1 мкм.

Основовязаная структура металлотрикотажа обеспечивает нераспускаемость и неосыпаемость краев, а специфическое переплетение придает полотну стабильность размеров и ограниченную равномерную растяжимость во всех направлениях. Для формирования трикотажного рукава и ленты тонкая TiNi проволока вязалась на кругловязальной машине Rishikesh Wire (Rishikesh Electromatic Pvt. Ltd., Индия). Круговое плетение формировало замкнутую трубчатую структуру с регулярным рисунком петель, что облегчало последующую технологическую трансформацию и обеспечивало изотропию механических свойств в плоскости полотна. После вязки заготовка подвергалась стабилизирующему отжигу, а для придания металлотрикотажу формы ленты металлотрикотажный рукав подвергали горячей прокатке при температуре 500 °С, формируя симметричную двухслойную структуру с заданной разреженностью и топологией ячеек, что играет ключевую роль в его функциональных свойствах.

Периоперационное ведение животных в группах не различалось, кроме области выполнения хирургического вмешательства.

Животные были распределены на три группы:

• группа «А» (n = 10) — TiNi металлотрикотаж имплантировали в торакоабдоминальный дефект к мышцам передней брюшной стенки;
• группа «Б» (n = 10) — TiNi металлотрикотаж имплантировали к рассеченной париетальной брюшине под левым куполом диафрагмы;
• группа «В» (n = 10) — TiNi металлотрикотаж имплантировали претрахеально под мышцы передней поверхности шеи.

Имплантаты устанавливали в скелетные мышцы, различающиеся по уровню естественной физиологической нагрузки и характеру сократительной активности, без применения дополнительных внешних нагрузок на животных. Такой выбор мест имплантации был обусловлен задачей моделировать различные физиологические биомеханические условия функционирования импланта в пределах одной экспериментальной серии.

Лабораторных животных в условиях золетил-ксилазинового наркоза фиксировали на операционном столе, сбривали шерсть и обрабатывали антисептиком область операции.

В группе «А» выполняли срединную лапаротомию и внеплеврально резецировали мечевидный отросток и мышечно-апоневротический участок передней брюшной стенки. Пострезекционный торакоабдоминальный дефект замещали металлотрикотажной лентой и фиксировали ее по периметру непрерывным швом полипропиленовой 4/0 атравматичной нитью. В группе «Б» после лапаротомии и рассечения париетальной брюшины под левым куполом диафрагмы укладывали ленту без дополнительной фиксации. В группе «В» после разреза по передней поверхности шеи и разведения мышц помещали претрахеально металлотрикотаж под глубокие мышцы. Операционную рану ушивали наглухо викрил 4/0 атравматичной нитью.

После оперативного вмешательства всех животных размещали в индивидуальные клетки (VELAZ, Чехия). Для оценки общего состояния животных проводили ежедневную регистрацию данных клинического осмотра в течение всего периода наблюдения. Оценивали характер экскреции, состояние шерсти, кожных покровов и слизистых оболочек, аппетит, дыхание, подвижность, нервно-мышечную возбудимость, походку, агрессивность, миоз/мидриаз/экзо­фтальм и др. (СОП: ЦДИ-СВ-008). В послеоперационном периоде в течение 5 дней каждому животному проводили профилактику инфекционных осложнений Энрофлоксацином (ООО «АПИ-САН», Россия) per os с питьевой водой в дозе 15 мг/кг м.т.; препарат предварительно разводили в 200 мл питьевой воды. Для анальгезии в первые двое суток после имплантации животные получали Кетопрофен («ВИК — здоровье животных», Беларусь) подкожно в дозировке 5 мг/кг м.т. 1 раз в сутки.

Лабораторных животных выводили из эксперимента на 14, 30, 60 и 90 сут после имплантации металлотрикотажа ингаляцией углекислого газа в соответствии со стандартной операционной процедурой учреждения (СОП: ЦДКИ-ПДИ-023). Биологический препарат извлекали с окружающими тканями для макроскопического анализа. Для гистологического исследования забирали фрагменты поперечнополосатой мышечной ткани и окружающей соединительной ткани непосредственно из зоны имплантации, а также из визуально неизмененной мышечной ткани на расстоянии не менее 10 мм от края импланта, что использовали в качестве внутреннего контроля. Биологические образцы, включающие тканевой регенерат (поперечнополосатую мышечную ткань с прилежащей соединительной тканью) в зоне имплантации, фиксировали в 10% нейтральном формалине. После завершения фиксации регенерат прецизионно отделяли по границе с сетчатым металлотрикотажным имплантом, поскольку металлическая проволока не поддается стандартной гистологической проводке и резке. Оставшуюся часть обезвоживали, заливали в парафин, изготавливали срезы толщиной 5 мкм, окрашивали их гематоксилином-эозином и по Ван-Гизону (на соединительную ткань).

Для морфологического исследования использовали микроскоп Axio Lab.A1 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия) с помощью видеокамеры AxioCamERc 5s (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия) и программного обеспечения AxioVision Rel. 4.8 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия). Анализ особенностей интегрирования тканей с сетчатой структурой металлотрикотажа проводили с применением аналитического сканирующего электронного микроскопа Teskan Mira (Брно, Чехия). После предварительной фиксации в 10% растворе нейтрального формалина выделяли фрагменты тканей с имплантированными образцами материала. После сублимационной сушки образцы устанавливали на токопроводящий углеродный скотч в камере сканирующего электронного микроскопа.

РЕЗУЛЬТАТЫ

У всех лабораторных животных послеоперационные раны зажили первичным натяжением. На 14 сут и последующие контрольные точки в группах «А» и «В» визуальной деформации прилежащих анатомических структур к импланту не зафиксировано. При макроскопическом исследовании при аутопсии по мере увеличения длительности эксперимента с момента имплантации прослеживалась тенденция к более плотному сращению импланта с прилежащими мышечными тканями в группах «А» и «Б».

На 14 сут во всех группах отмечалась нежная прослойка соединительной ткани между имплантом и мышечными структурами. В группе «В» на 14 и 30 сут металлотрикотаж и мышцы шеи легко между собой разделялись вследствие отсутствия между ними плотного сращения. Во все сроки в группах исследования не зафиксировано миграции сетчатого импланта. В отдаленные сроки в группе «Б» отмечено, что тканевой регенерат в области импланта был малоподвижен за счет более плотного приращения, но это в целом не ограничивало подвижность диафрагмы. На 60 и 90 сут в группе «В» металлотрикотаж был более плотно приращен к шейным мышцам в сравнении с ранними сроками исследования.

Гистологическое исследование биологических образцов из групп «А» и «Б» на 14 сут после имплантации выявило между металлотрикотажем и поперечнополосатыми мышечными волокнами сформированный пласт молодой соединительной ткани с мелкими новообразованными кровеносными сосудами и коллагеновыми волокнами (рис. 3). В те же сроки во всех группах наблюдали преимущественно лимфо-макрофагальную воспалительную инфильтрацию и в области импланта незначительный отек с единичными нейтрофилами. Среди клеточных элементов преобладали лимфоциты, макрофаги и фибробласты. Вместе с тем в группе «В» на 14 сут отмечено формирование рыхлой незрелой соединительной ткани на поверхности импланта.

На 30 сут в месте имплантации во всех группах наблюдали более зрелую соединительную ткань с увеличением количества коллагеновых волокон и единичных вновь образованных из них пучков. При гистологическом исследовании в образцах после 60 сут после имплантации TiNi металлотрикотажа коллагеновые волокна были более структурированными и формировали пучки (рис. 4), в клеточном составе преобладали фиброциты, реже встречались фибробласты и единичные нейтрофилы. Во всех группах исследования на 60 сут после имплантации в местах рассечения мышечных волокон были обнаружены мышечные почки как структурный признак регенерации поперечнополосатой мышечной ткани (рис. 5).

К 90 сут после имплантации в группах «А» и «Б» при гистологическом исследовании выявлен сформированный тканевой регенерат, состоящий из мышечных волокон и зрелых соединительнотканных компонентов. В структуре регенерата присутствовали клеточные элементы, представленные фиброцитами и фибробластами, а также отмечалась организованная ориентация коллагеновых волокон, преимущественно однонаправленная. Кроме того, выявляли выраженную васкуляризацию, что свидетельствовало о наличии развивающейся сети кровеносных сосудов, обеспечивающих регенерирующую ткань необходимыми метаболическими условиями для дальнейшего восстановления и функциональной интеграции.

При исследовании с помощью сканирующего электронного микроскопа на 14 сут после имплантации во всех группах фиксировали начало формирования соединительной ткани на поверхности импланта и в зонах переплетения проволоки TiNi металлотрикотажа (рис. 6а). К 30 сут коллагеновые волокна и фибробласты полностью заполнили поры двухслойного импланта в отдельных участках, способствуя интеграции материала с окружающей тканью и обеспечивая механическую стабильность (рис. 6б). В более отдаленные сроки, на 60 и 90 сут, в группах наблюдали плотное оплетение проволоки коллагеновыми волокнами, формирующими пучки, ориентированные во взаимно перпендикулярных плоскостях, что приводило к образованию своеобразной структурной сетки, обеспечивающей оптимальные условия для фиксации и биосовместимости импланта (рис. 6в). Отмечено формирование пучков коллагеновых волокон, формирующих различные типы переплетений между мышцами передней брюшной стенки, с выраженным клеточным валиком по поверхности и в зонах пересечения TiNi проволоки, при этом плотность этих структур постепенно возрастала к более поздним срокам наблюдения.

ОБСУЖДЕНИЕ

В процессе репаративной регенерации скелетной мышечной ткани после травматического повреждения неизбежно формируется соединительнотканный рубец, который частично или полностью замещает дефект, приводя к двигательной дисфункции мышцы и клинически проявляющемуся нарушению подвижности соответствующей анатомической области. Механизмы репаративной регенерации мышечной ткани все еще изучаются и остаются актуальной областью научных исследований [4][16–18]. Несмотря на значительный прогресс в понимании молекулярных и клеточных процессов, регулирующих восстановление поперечнополосатой мышечной ткани, многие аспекты, включая роль внеклеточного матрикса и взаимодействие различных клеточных популяций, требуют дальнейшего детального изучения [19–21].

Для реконструкции обширных пострезекционных дефектов мягких тканей предложен широкий спектр биоматериалов и тканевых инженерных конструкций, что отражает продолжающийся поиск оптимального решения с учетом индивидуальных анатомо-функциональных требований. Ключевыми критериями эффективности применения таких материалов выступают биосовместимость, обеспечивающая адекватную интеграцию с окружающей стромой без иммуногенных реакций, и механическая прочность под циклическими многоосевыми нагрузками, предотвращающая деформацию и послеоперационные осложнения, что важно для анатомо-физиологического восстановления и долгосрочной функциональной реабилитации поврежденной зоны [22][23].

В настоящем исследовании было установлено, что основные биологические процессы регенерации, включая формирование грануляционной ткани, неоангиогенез, пролиферацию фибробластов и последующую организацию коллагенового матрикса, проявляли сходные морфологические особенности вне зависимости от локализации тканевого регенерата, что указывает на универсальность механизмов восстановления в условиях имплантации металлотрикотажного каркаса [24–26]. Ранее в ряде работ, в том числе в сравнении с полипропиленовыми имплантами, было показано, что формирование васкуляризованного коллагенового регенерата вокруг импланта является ключевым биологическим явлением, определяющим успешную интеграцию материала и восстановление опорной функции мягких тканей [9][13][27–30].

При использовании TiNi металлотрикотажа в качестве импланта в мышечные ткани было показано отсутствие выраженной воспалительной реакции и надежная и стабильная фиксация вживляемого элемента без миграции. Длительная имплантация металлотрикотажа способствовала улучшению интеграции искусственного материала с биологическими тканями, что еще раз подтверждает его высокий уровень биосовместимости. Металлотрикотажный TiNi имплант выступал каркасной основой для формирования и врастания соединительнотканного регенерата с созданием полноценной анатомической структуры. Взаимодействие сетчатого импланта из TiNi проволоки и коллагеновых волокон в области регенерата обеспечивало восстановление анатомо-физиологической целостности, что являлось ключевым фактором для регенерации и функциональной целостности мышечной ткани.

Полученные данные свидетельствуют, что интеграция импланта в мышцах с различной исходной функциональной нагрузкой сопровождалась формированием единого тканевого регенерата без клинически выраженного ограничения подвижности и признаков ригидности соответствующих мышечных групп. Это позволяет расценивать сформированный каркас как биомеханически и функционально адекватный принимающим тканям в условиях разных физиологических режимов работы мышцы. Имплант из сетчатого TiNi материала после замещения мягкотканного дефекта действовал как подвижная армирующая структура, функционально аналогичная сухожильной части мышцы. Использование металлотрикотажа с диаметром нитей 40 мкм оптимизировало сочетание механической прочности и биосовместимости, минимизируя риск послеоперационных осложнений и образование грубого соединительнотканного рубца. Предполагаемая физиологическая нагрузка на группу мышц конкретной анатомической области успешно передавалась через материал на основе TiNi, что подтверждает его долговременную способность поддерживать двигательную функцию мышечной структуры. Дополнительно отмечали, что такая интеграция и взаимодействие импланта с тканью способствовали сохранению микроциркуляции и предотвращению развития грубого фиброза, что является важным условием для устойчивого функционального восстановления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Металлотрикотаж на основе тонкой TiNi проволоки продемонстрировал высокую перспективность в качестве биоматериала для реконструктивной хирургии при устранении обширных дефектов скелетных мышц. Сочетание биосовместимости, механической стабильности в условиях динамических нагрузок и выраженной способности к тканевой интеграции обеспечивает надежную функциональную поддержку мышечного каркаса, способствует анатомо-физиологическому восстановлению и позволяет минимизировать избыточный фиброз, что в совокупности создает предпосылки для оптимального клинического исхода. Дальнейшие исследования целесообразно сфокусировать на комплексной оценке долгосрочных биомеханических характеристик и клинической эффективности металлотрикотажных имплантатов в различных травматических и хирургических ситуациях с обязательным количественным сравнительным анализом клеточных и матричных компонентов регенерата, что позволит сформировать надежную доказательную базу для их широкого внедрения и целенаправленного совершенствования в клинической практике.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства критериям ICMJE. Наибольший вклад распределен следующим образом: Е.Б. Топольницкий — разработка дизайна исследований, утверждение окончательного варианта рукописи; Н.А. Шефер — написание текста рукописи, планирование и проведение экспериментов; Е.С. Марченко — представление образцов металлотрикотажа на основе TiNi для экспериментального исследования; Т.И. Фомина — обеспечение визуализации, проведение гистологического исследования; А.С. Гарин — оформление статьи. Все авторы участвовали в обсуждении результатов и выводов.